Криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия

Криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для сварных конструкций, работающих при криогенных температурах.

Известен криогенный деформируемый термически неупрочняемый свариваемый сплав на основе алюминия следующего химического состава (мас.%):

Магний	4,45
Марганец	0,8
Хром	0,10
Алюминий	Остальное

(см. Ф.Г.Нельсон, Дж.Г.Кауфман, Е.Т.Уэндерер. В кн.: Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах. М., Металлургия, 1983, с.176).

Однако существующий сплав имеет низкие прочностные свойства.

Известен криогенный деформируемый термически неупрочняемый свариваемый сплав на основе алюминия, предназначенный для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала (см. патент RU №2085607, М.Кл. С22С 21/06, 1997 год), следующего химического состава (мас.%) прототип:

Магний	3,9-4,9
Титан	0,01-0,1
Бериллий	0,0001-0,005
Цирконий	0,05-0,15
Скандий	0,20-0,50
Церий	0,001-0,004
Алюминий	Остальное

Недостатком известного сплава является низкая прочность сварных соединений при криогенных температурах.

Предлагается криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, который дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Магний	4,1-4,9
Титан	0,01-0,04
Бериллий	0,0001-0,005
Цирконий	0,05-0,12
Скандий	0,17-0,30
Церий	0,0001-0,0009
Марганец	0,19-0,35
Хром	0,01-0,05
Группа элементов,
включающая железо
и кремний	0,06-0,25
Алюминий	Остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, и компоненты взяты в следующем соотношении (мас.%):

Магний	4,1-4,9
Титан	0,01-0,04
Бериллий	0,0001-0,005
Цирконий	0,05-0,12
Скандий	0,17-0,30
Церий	0,0001-0,0009
Марганец	0,19-0,35
Хром	0,01-0,05
Группа элементов,
включающая железо
и кремний	0,06-0,25
Алюминий	Остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.

Технический результат - повышение характеристик прочности сплава и, как следствие, повышение прочности сварных соединений при криогенных температурах, что позволит снизить вес и соответственно повысить характеристики весовой отдачи сварных конструкций летательных аппаратов, работающих на криогенном топливе.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве за счет вторичных выделений мелкодисперсных интерметаллидов, содержащих в своем составе алюминий, скандий, цирконий и другие переходные металлы, входящие в состав сплава, и оптимизации морфологии первичных интерметаллидов кристаллизационного происхождения, содержащих, в основном, алюминий, железо и кремний, обеспечивается высокий уровень прочностных свойств сплава и сварных соединений. В то же время достаточно пластичная матрица, представляющая собой, главным образом, твердый раствор магния и марганца в алюминии, за счет высокого запаса пластичности сохраняет необходимый уровень пластических свойств и высокую работоспособность сплава и сварных соединений при криогенных температурах.

Пример

Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия А99, магния МГ95, двойных лигатур алюминий-титан, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-церий, алюминий-марганец, алюминий-железо и силумина (составы 1, 2), а также состав 3 из шихты, состоящей из отходов составов 1 и 2.

Сплав готовили в электрической плавильной печи и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 90×220 мм. Составы предлагаемого сплава приведены в табл.1.

Слитки гомогенизировали, подвергали механической обработке, после чего на стане горячей прокатки при 400°С прокатывали до толщины 7,5 мм, затем на стане холодной прокатки - до толщины 3 мм. Холоднокатаные заготовки отжигали в электрической печи с воздушной циркуляцией и правили на роликоправильной машине.

Часть полученных таким образом отожженных листов толщиной 3 мм подвергали автоматической аргоно-дуговой сварке вольфрамовым электродом с присадочной проволокой того же состава, что и основной металл. Сварной шов располагали вдоль волокна. Материалом для испытаний служили отожженные листы толщиной 3 мм и сварные пластины. Из листов и сварных пластин вырезали стандартные поперечные образцы, которые испытывали на растяжение при криогенных температурах. Определяли механические свойства листов: предел прочности σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ, а также предел прочности сварных соединений с усилением шва σ_в ^св. Также проводили испытания сплава-прототипа (состав 4, табл.1). Результаты испытаний приведены в табл.2.

Как видно из табл.2, предлагаемый сплав и его сварные соединения имеют прочность на 3-15 МПа выше, чем у известного сплава при сохранении пластичности. Это позволит на 3-5% снизить вес криогенных сварных конструкций, изготавливаемых из предлагаемого сплава.

Применение предлагаемого сплава в космической технике позволит создать надежные и высокотехнологичные сварные конструкции летательных аппаратов, работающих на высокоэффективном и экологически чистом криогенном топливе. При изготовлении сварных конструкций предлагаемый сплав может использоваться также в качестве присадочного материала для сварки плавлением.

Таблица 1
Сплав	№ состава	Химический состав, мас.%
Магний	Титан	Бериллий	Цирконий	Скандий	Церий	Марганец	Хром	Железо	Кремний	Fe/Si	Алюминий
Предлагаемый	1	4,1	0,01	0,0001	0,05	0,17	0,0001	0,19	0,01	0,03	0,03	1	Остальное
2	4,9	0,04	0,005	0,12	0,30	0,0009	0,35	0,05	0,15	0,1	1,5	Остальное
3	4,5	0,02	0,001	0,08	0,24	0,0005	0,3	0,03	0,06	0,05	1,2	Остальное
Прототип	4	4,4	0,1	0,003	0,1	0,4	0,003	-	-	-	-	-	Остальное
Примечание: Fe/Si - отношение содержания железа к содержанию кремния

Таблица 2
Сплав	№ состава	Температура испытаний	Механические свойства отожженных листов	Прочность сварных соединений
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	σв св, МПа
Предлагаемый	1	77К	480	348	36	450
20К	624	418	38	480
2	77К	490	350	34	454
20К	630	425	36	488
3	77К	485	350	35	450
20К	628	420	37	485
Прототип	4	77К	475	345	34	445
20К	621	415	36	475
Примечание: σв - предел прочности, σ0,2 - предел текучести, δ - относительное удлинение, σв св - предел прочности сварного образца с усилением шва.

Криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний	4,1-4,9
титан	0,01-0,04
бериллий	0,0001-0,005
цирконий	0,05-0,12
скандий	0,17-0,30
церий	0,0001-0,0009
марганец	0,19-0,35
хром	0,01-0,05
группа элементов, содержащая железо
и кремний	0,06-0,25
алюминий	остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.